Кинетика процесса разделения растворов методом обратного осмоса с использованием ацетатцеллюлозных и боросиликатных мембран (1095032), страница 12
Текст из файла (страница 12)
3.1 ирис. 4.8). Не меняющиеся во времени рабочие характеристики КПМ даливозможность сопоставить с ними рабочие характеристики АЦМ. Другимисловами предоставляется возможность оценить степень ухудшения рабочиххарактеристик АЦМ при различных значениях величин давлений исходногораствора и времени работы мембраны.Таким образом, была произведена попытка отделить влияние внешнихфакторов на процесс от изменения рабочих характеристик АЦМ со временем.Дальнейшаяобработкапозволиласоздатькомпенсационнуюсхему,снижающую фактор нестабильности характеристик аппаратов на базе АЦМ.86Рис.
4.8. К пояснению корректировки данных о рабочих характеристиках АЦМ.При изменении внешних факторов, в частности рабочего давления P, вуравнении (4.7) изменяется значение коэффициентов а, b и с. В случае с КПМзависимости рабочего давления P от коэффициентов в формуле (4.7) имелилинейный вид, в отличие от АЦМ. По этой причине для решения поставленныхв диссертационной работе вопросов стабильности разделения полимернымимембранами использовались КПМ.4.4. Структурно-стабилизационные особенности обратноосмотическихмембран разной природы.Структурно-стабилизационные особенности АЦМ определены нами вработе [111].Какбылопоказаноинтенсификационномвпервойразделенииглаве,жидкихвпоследниесмесейвгодыприхимической,нефтехимической и других отраслях народного хозяйства все большейпопулярностью пользуются баромембранные методы разделения. При этомнаибольшее распространение получили мембраны на основе полимеров излиофильных материалов.
В частности, ацетатцеллюлозные мембраны (АЦМ)положили начало процессу баромембранного разделения и до настоящего87времени обладают наилучшими характеристиками разделения – высокойселективностью и удельной проницаемостью, приходящейся на единицурабочей площади полупроницаемой перегородки.
Однако характеристикиразделения ацетатцеллюлозных мембран, как и характеристики других,существующих в настоящее время полимерных мембран, недостаточностабильны. Они меняются в зависимости от давления, температуры,концентрации растворенных веществ, природы мембран, продолжительностиработы и ряда других факторов. Эти мембраны непригодны для работы вщелочных и сильнокислых средах.Более ранние исследования показали, что от устойчивости работыполупроницаемых мембран зависит не только степень согласия с опытнымиданными предлагаемых корреляций, но и практическое использование тех илииных мембран.
Подчеркивается [12, 17], что давление в значительной мереспособнонарушатьвязкоэластичнуюструктуруполимерныхмембран.Устойчивость работы в данном случае зависит от способности мембранывосстанавливать свою прежнюю структуру. Площадь петли гистерезиса,описываемойкривойзависимостипроницаемостиотдавленияприпоследовательном увеличении давления от нуля до некоторого значения, азатем снижения его в обратной последовательности, может служить в качествекритерия, характеризующего вязкоэластичные свойства мембраны. При этомопределяются также степень устойчивости мембраны при работе с различнымидавлениями.Устойчивостьработыполимерныхмембранзависиттакжеотконцентрации исходного раствора, которая при наличии концентрационнойполяризации может значительно возрасти, приводя тем самым поверхностьмембраны в непосредственный контакт с исходным раствором повышеннойконцентрации.
Таким образом, устойчивость работы зависит от тогогидродинамического режима, который обеспечивает снятие концентрационнойполяризации. В процессах, использующих в качестве полупроницаемыхмембранразличныематериалы,этодостигаетсялибоинтенсивным88перемешиванием исходного раствора, либо циркуляцией, обеспечивающейрежим, приближающийся к условиям снятия концентрационной поляризации.Следует заметить, что от устойчивости работы мембран зависитпринципиальная возможность изучения влияния тех или иных внешнихфакторов на характеристики разделения мембран.
В частности, несмотря на то,что за последние годы исследование процесса разделения водных растворовобратным осмосом продвинулось далеко вперед, влияние температуры осталосьпочти неизученным. Объясняется это тем, что изменение структурыполимерных мембран с повышением температуры приводит к резкому падениюселективности и росту проницаемости. Природа растворенной соли оказываетзначительное влияние на устойчивость полупроницаемых мембран. Так, АЦМустойчиво работают в растворах всех солей за исключением многовалентных.Полиамидные мембраны способны работать в растворах солей, которые имеютpH < 3.
Однако и в таких мембранах необходимо выявление вопросовустойчивости применительно к конкретным условиям работы. Отмечалось [12,17], что различные полимерные мембраны могут работать устойчиво в средах сразличными диапазонами pH. В частности, для АЦМ предлагается диапазонсред с величинами pH от 4 до 6. Для полиамидных мембран диапазонрасширяется.
Однако до настоящего времени отсутствует количественнаяоценка неустойчивости всех типов полимерных мембран.Несколько иную устойчивость проявляют мембраны из оксида графита.Обладая жесткой структурой, они более устойчивы к воздействию рабочегодавления [2]. Экспериментальные данные, полученные на мембранах этоготипа, показали линейную зависимость проницаемости от рабочего давления.Однако в процессе повышения давления до 4,2 МПа наблюдается несколькобольшая проницаемость и меньшая селективность, чем при понижениидавления.
Исследователи объясняют это отсутствием в мембране компактностичастиц из оксида графита. Так как мембрана, приготовленная методомзасасывающего отложения, состоит из свободно упакованных частиц оксидаграфита, то под действием давления происходит уплотнение этих частиц. При89дальнейшем сжатии, по крайней мере до 23,9 МПа, уплотнения частиц большене происходит. Некоторое снижение селективности при изменении давления отбольшего к меньшему давлению объясняется возможностью повреждениямембраны в работе.Мембраны из оксида графита более стойкие к влиянию температурыисходного раствора, чем АЦМ.
Однако небольшое снижение селективностимембран из оксида графита с ростом температуры можно объяснить тольконарушением структуры мембран.Устранение факторов неустойчивости, которые влияют на работу мембраниз оксида графита и которые необходимо учитывать при количественнойоценке влияния внешних факторов на характеристики разделения, делаютнеудобным применение этих мембран для таких целей.Как показали исследования, приведенные в главе 3, мембраны изпористогостеклаотличаютсяхимическойстойкостьюифизическойпрочностью. Первые исследования на капиллярно-пористых мембранах (КПМ)показали стабильность их работы.
В частности, они устойчиво работают втечение длительного времени в неблагоприятных для других мембран средах ине разрушаются при давлениях в сто и более атмосфер. Поэтому эти мембраныявляются благодатным объектом для исследования.Впервые полученные с помощью КПМ размеры селективных пор итемпературный эффект, строгая идентификация характеристик разделенияэлементов КПМ по рядам и строкам расположения исследуемых элементов втаблицеД.И.Менделеевавсоответствиисихэнтропийнымиитеплотообразующими характеристиками открывают перспективы пониманиятеоретических основ новой ветви химической технологии - "Мембранныетехнологии". Следует заметить, что высоконапорный обратный осмос проходитпри высоких давлениях и во многих случаях при повышенных температурахисходных растворов. Эти и многие другие прогнозируемые с помощью КПМисследования [17, 98] делают перспективу применения КПМ актуальной донастоящего времени.90Так, структура травления стекла сама по себе обеспечивает подходисходного раствора к рабочим порам стекла через множество других пор снесколько большими диаметрами.
Этим обеспечивается эффект, аналогичныйтому, который имеет место при помещении перед полупроницаемой мембранойматериалов из относительно крупнопористого нейлона, полиэтилена и пр. Приэтом для восполнения тех порций фильтрата, которые прошли через порыкапилляров, новые порции на подходе к порам с рабочими диаметрамипроходят через множество более крупных пор, обеспечивая тем самым режимдвижения, частично или полностью устраняющий явление концентрационнойполяризации.В качестве первого рабочего приближения на рис. 4.9 изображена схемадвижения потоков исходного раствора и фильтрата. На схеме изображена частьстенки пористого капилляра с направлениями движения потоков на подходе кпорам с рабочими диаметрами dраб и фильтрата на выходе.Рис.
4.9. Схема движения потоков исходного раствора и фильтрата в КПМ.91Вместе с тем исследования, представленные в разделе 4.1. показали, чтомембраны на основе ацетатцеллюлозы ведут себя нестабильно даже принеизменных внешних факторах за счет изменения внутренней структуры ихпор. На рис. 4.10 показаны результаты экспериментального исследованиянеобратимого изменения производительности аппаратов баромембранныхпроцессов с ацетатцеллюлозными мембранами в ходе их эксплуатации втечение длительного времени при неизменных внешних факторах.Рис. 4.10.
Изменение поизводительности во времени ацетатцеллюлозоймембран.Здесь Jрегр(τ) – регрессия экспериментальных данных функцией видаJ(τ)=a·ln(τ+b)+c; Jфакт – экспериментальные данные по проницаемости, м3/с; τ –время, сут.Для поиска наилучшего типа формулы, описывающего зависимостьпроизводительности аппарата на базе АЦМ J от времени работы η производилсярегрессионный анализ экспериментальных данных разного вида зависимости,как показано в разделе 4.1.
– линейной, логарифмической, квадратичной, а с92помощьюкоэффициентадетерминацииR2осуществляласьоценкадостоверности аппроксимации.Эмпирические данные по зависимости величины J от времени ηнаилучшим образом описываются формулой вида J регр ( ) a ln( b) c где a, bи c – эмпирические коэффициенты. В рассматриваемом случае эмпирическиекоэффициенты были равны a = – 4,94; b = 135,62; c = 39,54 с коэффициентомдетерминации R2=0,693.Это позволяет судить о степени нестабильности АЦМ. Аналогичныйподход может быть применен и к другим полимерным мембранам,стабильность которых будет определена своими значениями коэффициентадетерминации. При этом величины коэффициентов детерминации будутприближаться к единице по мере повышения стабильности работы мембран.Дальнейшие исследования показали, что приведенное уравнение присоответствующем подборе эмпирических коэффициентов даѐт погрешностьменее 15%.Результат обработки экспериментальных данных выявил значительнуюнестабильность рабочих характеристик АЦМ.
Особенно это касается первыхмесяцев работы, пока мембрана не приработана. Однако при проведениинаучно-исследовательских и проектных работ зачастую именно этот периодошибочно выбирается для получения опорных расчѐтных зависимостей. Иногдав научно-исследовательской практике баромембранного разделения мембранавыдерживается под давлением не более получаса, что явно неприемлемо дажепри грубых приблизительных расчетах процесса.Как отмечалось ранее, мембраны с жесткой структурой обладаютвысокими показателями стабильности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
